Monitorizarea parametrilor curentilor acvatici

Monitorizarea parametrilor curentilor acvatici  

Monitorizarea reprezinta observarea si inregistrarea regulata a unor parametri fizico-chimici. Acest proces presupune colectarea datelor in mod repetat, dupa un algoritm specific vitezei de variatie a parametrului si scopului urmarit.

In urma monitorizarii curentilor se pot desena harti ale curentilor acvatici in functie de anotimp, cum ar fi vara/iarna sau in functie de zi/noapte.

1. Curentmetru

Aparatul este destinat masurarii vitezei si directiei curentilor marini, pana la adancimea de 200m. Citirea rezultatelor masurarilor se face pe un aparat cu afisare numerica aflat la bordul navei.

1.1. Caracteristicile tehnice ale curentmetrului proiectat si fabricat de Institutul G. Antipa

Caracteristicile curentmetrului sunt urmatoarele:

curentometrul: pupitrul de afisare: indica viteza si directia:

- masurarea vitezei curentului:     - curentului: digital pe 3 digiti;

traductor: rotor vertical cu 3 pale; - gabarit:

domeniul de masurare: 2 200 cm/s;    curentometru: Ř140x440 mm fara

viteza de demarare: 2 cm/s; garda si ampenaj de directie;

- masurarea directiei curentului:   - pupitru: 225x90x260 mm;

traductor: compas magnetic - corp

curentometru orientabil in curent; - curentometru: 12 daN;

- domeniul de masurare: 0⁰ - 360⁰;   - pupitru: 3,5 daN;

- viteza de asezare in curent: 2 cm/s;    - alimentare: 24 Vcc/220 Vca;

directii indicate: 64; - adancimea maxima de lucru: 200 m.

1.2. Date tehnice   

Functional, aparatul este constituit din doua lanturi de masura, unul destinat masurarii vitezei iar celalalt directiei curentului, afisarea rezultatelor masurarii se face pe un afisor comun (Fig. 2).

1. Masurarea vitezei si directiei 

Pentru masurarea vitezei se utilizeaza un traductor de viteza (TV) cu rotor Savonius. In traductorul de viteza conversia miscarii de rotatie in semnal electric se face cu un senzor optoelectronic, prin reflexie pe suprafata superioara a rotorului. Miscarea rotorului de viteza este influentata, in aceasta varianta de functionare, numai de frecarea axului in lagare.

Viteza curentului este convertita in impulsuri de tensiune de amplitudine constanta si frecventa proportionala cu viteza curentului. Impulsurile sunt numarate iar rezultatul masurarii, transformat in cm/sec, este citit pe un afisaj numeric (FN).

Masurarea directiei se face prin conversia unghiului de rotatie al traductorului de directie, antrenat de curent, fata de o directie de referinta. Conversia se face folosind ca referinta un compas magnetic pe axul caruia este fixat un disc codat in cod Gray care realizeaza transformarea unghiului de rotatie a traductorului intr-un cuvant de 6 biti. Traductorul de directie (TD) este corpul curentometrului care se orienteaza in curent.

Solidar cu acesta se afla un sistem de cuplaj optoelectronic obturat de discul codat fixat pe axul compasului magnetic. Prin folosirea unui cuvant de 6 biti, treapta de conversie a fost stabilita la 5 . Campul de 360 a fost divizat in 64 sectoare egale. S-a adoptat aceasta metoda de masurare din urmatoarele considerente:

- se exclude orice frecare mecanica intre partile aflate in miscare una fata de cealalta, exceptand frecarea axului compasului magnetic in lagare;

- eroarea de masura este constanta si cunoscuta; ea poate fi redusa la valoarea treptei de cuantizare prin realizarea unei constructii mecanice ingrijite.

Treapta de cuantizare poate fi micsorata prin marirea lungimii cuvantului de cod folosit la conversie la 7 biti ceea ce corespunde la 128 directii - deci la o treapta de conversie de 2 , sau chiar la 8 biti ceea ce ar corespunde la o treapta de conversie de cca 1° 24 . Aceasta treapta de conversie nu se justifica deoarece directia de referinta furnizata de compasul magnetic are o eroare de indicare datorata frecarilor si imperfectiunii constructiei mecanice de cca 2°, adica de doua ori mai mare decat treapta de conversie.

1.4. Afisarea rezultatului

Afisarea rezultatului masurarii directiei curentului se realizeaza astfel, cuvantul in cod Gray este transformat intr-un convertor de cod (G/B), in cod binar natural si introdus intr-un convertor digital - analog (DAC08). La iesirea convertorului se obtine o tensiune continua, proportionala cu directia curentului, care este transformata cu ajutorul unui convertor (U/F) in frecventa si transmisa la suprafata pentru a fi afisata. S-a adoptat acesta solutie tehnica de transmitere a marimii masurate pentru urmatoarele avantaje:

- transmisia se face pe un singur conductor;

- informatia nu este alterata de perturbatii, paraziti etc;

- afisarea se face cu ajutorul frecventmetrului numeric (FN) folosit si pentru afisarea vitezei curentului.

Aceasta solutie permite utilizarea ca suport de transmitere a informatiei de viteza si directie a unui cablu cu 4 conductoare, unu pentru viteza, unu pentru directie si doua pentru alimentare cu energie electrica.

Constructiv, aparatul se compune din doua parti distincte, figura 3:

- sonda (6) care contine traductoarele de viteza si directie si circuitele de conversie si masura;

- aparatul de la suprafata (1) care contine sursa de tensiune pentru alimentarea sondei si un frecventmetru pentru afisare.

Sonda (6) este o constructie navalizata, etansa si rezistenta la presiunea ambianta.

Carcasa sondei asigura o incinta uscata circuitelor de conversie si masura si traductorului de directie. Etansarile sunt fixe, cu garnituri de cauciuc. Capacul superior are fixat un conector etans (5) pentru cablul sondei si sistemul mecanic cu vartej (4) de suspendare a sondei. Capacul inferior are o trecere etansa pentru senzorul de viteza (7) si are fixat, in centru, lagarul superior al rotorului de viteza.

Pentru orientarea in curent pala de directie (2) se fixeaza pe corpul sondei (6).

Traductorul de directie se compune din doua parti: un compas magnetic care mentine directia nord si o pala de directie care se orienteaza in curent si este solidara cu carcasa.

Discul codat este fixat pe axul compasului magnetic si reprezinta partea din traductor care furnizeaza directia de referinta nord.

Senzorul optoelectronic al traductorului de directie este solidar cu carcasa orientabila in curent si furnizeaza sub forma unui cuvant de 6 biti in cod Gray unghiul fata de directia nord.

Pentru pastrarea pozitiei verticale in functionare, compasul magnetic este fixat in carcasa pe un cadru cu articulatie cardanica care ii asigura o inclinare de 30° fata de carcasa.

Traductorul de viteza se compune din rotor Savonius cu flotabilitate nula si un sistem optoelectronic pentru conversia miscarii de rotatie in impulsuri de tensiune.

La inclinari mai mari de 15 eroarea de masurare a traductorului de viteza devine considerabila. Pentru limitarea inclinarii, daca este necesar, carcasa este lestata.

Componentele din interiorul sondei sunt fixate pe un cadru demontabil care permite scoaterea usoara in vederea depanarii si intretinerii periodice.

Aparatul poate fi utilizat pe nave de cercetare sau pe ambarcatiuni usoare care executa masurari de curenti in mare, lacuri naturale, lacuri de acumulare la hidrocentrale, etc. Acesta poate fi utilizat independent sau in combinatie cu alte aparate pentru masurari subacvatice.

2. Sisteme bazate pe effect DOPPLER

2.1. Efectul DOPPLER

Efectul Doppler consta in variatia frecventei unei unde emise de o sursa de oscilatii, daca aceasta se afla in miscare fata de receptor. Efectul Doppler poate fi constatat atat in cazul undelor electromagnetice (inclusiv lumina), cat si in cazul undelor elastice (inclusiv sunetul). Frecventa masurata creste atunci cand sursa se apropie de receptor si scade cand susrsa se departeaza de receptor.

Unda emisa de o sursa de oscilatii se propaga de la sursa pana la receptorul care o detecteaza. Prin detectarea undei se intelege masurarea unei anumite marimi caracteristice ei, de exemplu, frecventa undei. Daca sursa si receptorul sunt in repaus unul fata de celalalt, frecventa undei masurata de receptor este egala cu frecventa undei emisa de sursa. Asa se intampla atat cu undele sonore cat si cu cele luminoase. Daca insa sursa de oscilatii este in miscare fata de receptor, frecventa undei masurata de receptor difera de aceea a undei emisa de sursa de oscilatii. Acest fapt care se observa cand sursa si receptorul sunt in miscare unul fata de celalalt, se numeste efectul Doppler; acest efect este foarte important atat in stiinta cat si in tehnica.

Figura 4 - Imagine a fronturilor de unda emise de o sursa in miscare (de la dreapta la stanga) fata de mediul in care se propaga undele un observator aflat in fata sursei va percepe unde cu frecventa mai ridicata decat unul aflat in spatele sursei

Explicatia efectului Doppler se va face folosind figura 4. care reda undele sferice ce izvorasc din sursa de oscilatii. Daca sursa se misca, undele sferice emise succesiv, se apropie unele de altele in sensul de miscare al sursei. Distanta dintre suprafetele sferice de egala faza reprezinta lungimea de unda; se observa astfel ca la receptorul stationar, ajung in unitatea de timp, unde cu suprafetele sferice mai apropiate intre ele in comparatie cu situatia in care sursa ar fi in repaus fata de receptor. Intrucat suprafetele de egala faza sunt aparent mai apropiate, lungimea de unda aparenta l_a este mai mica si deci frecventa undelor masurata de receptor este in acest caz mai mare. Daca sursa este stationara, iar receptorul se deplaseaza catre sursa, acesta intalneste in unitatea de timp mai multe unde sferice, decat daca receptorul ar fi fost fix si undele ar fi ajuns la el. Ca urmare receptorul in miscare catre sursa detecteaza o frecventa mai mare.

In consecinta, frecventa detectata de receptor creste daca miscarea relativa a sursei fata de receptor, printr-un rationament analog cu acela facut mai inainte, se ajunge la concluzia ca frecventa masurata de receptor scade. Daca sursa sta pe loc iar receptorul se deplaseaza, de la dreapta spre stanga, departandu-se de sursa, undele sferice ajung la receptor mai rar in timp, decat daca receptorul ar fi fost in repaus si deci acesta detecteaza o frecventa mai mica. Prin urmare, frecventa detectata scade, daca miscarea relativa a sursei fata de receptor ii departeaza pe unul de celalalt.

Pentru a exprima cantitativ modificarea frecventei in efectul Doppler se noteaza cu "u" viteza de deplasare a sursei fata de receptor, cu "n_S" frecventa undelor emise de sursa si cu "n_R" frecventa undelor masurate de receptor. Undele studiate se propaga cu viteza "v" in mediul in care se gasesc sursa si receptorul; aceasta viteza fiind o caracteristica a mediului respectiv nu este afectata de miscarea sursei sau a receptorului.

In timpul "t" sursa emite n_S∙t si, daca sursa ar fi fixa, aceste unde ar parcurge distanta v∙t. Lungimea de unda se obtine ca raportul intre distanta v∙t parcursa si numarul de unde care acopera aceasta distanta.

Daca sursa se deplaseaza catre receptor cele n_S∙t unde emise de sursa se vor raspandi intr-un spatiu mai mic decat v∙t, deoarece in timpul t sursa insasi s-a deplasat cu distanta u∙t. Aceasta inseamna ca numarul de unde n_S∙t emise de sursa in timpul t se vor gasi in spatiul v∙t-u∙t , iar lungimea de unda aparenta, definita ca raportul intre spatiul v∙t-u∙t si numarul de unde n_S∙t este frecventa corespunzatoare lungimii de unda l_a si este frecventa masurata de receptor n_R

Efectul Doppler este foarte important in astronomie unde prin masurarea frecventei radiatiilor care provin de la stele sau galaxii indepartate se poate stabili miscarea acestora fata de planeta noastra. Prin astfel de masuratori se obtine intotdeauna o frecventa mai mica a radiatiilor luminoase caracteristice astrilor respectivi. Aceasta inseamna ca lungimea de unda masurata este mai mare decat cea reala; cu alte cuvinte are loc o deplasare spre "rosu" a radiatiilor luminoase respective. Lumina rosie avand lungimea de unda cea mai mare in domeniul vizibil. Valoarea variatiei frecventei creste cu distanta de la Pamant, ceea ce sugereaza ca intregul Univers este in expansiune, adica toti astrii se indeparteaza spre limitele Universului, cu viteze din ce in ce mai mari pe masura ce sunt mai departati de Pamant. Aceasta este o problema majora a cosmologiei si studiul ei se bazeaza in principal pe efectul Doppler.

Viteza sunetului in diverse medii

Moleculele de aer au tendinta de a se misca mai usor prin medii calde si umede datorita faptului ca in aceste conditii energia lor interna creste. Cum viteza sunetului depinde de felul in care variaza presiunea aerului atunci cand moleculele se ciocnesc unele de altele (creand zone de compresie, dar si zone cu aer mai rarefiat), elasticitatea moleculelor devine un factor important. De aceea, in zilele calduroase si cu umiditate ridicata, sunetul calatoreste mai repede decat intr-o zi rece si uscata, atunci cand moleculele de aer nu oscileaza cu aceeasi usurinta.

Exista o formula cu care putem determina viteza de propagare a sunetului prin aer, tinand cont si de temperatura de afara:

Viteza sunetului = 331 m/s + 0,6⁰ (numarul de grade peste 0⁰C).

Deci viteza sunetului creste cu 0,6 m/s la ridicarea temperaturii cu un grad Celsius, ea avand valoarea de 331 m/s la temperatura de inghet a apei, 0⁰C.

In jurul anului 1660, omul de stiinta englez Robert Boyle a dovedit faptul ca undele sonore au nevoie de un mediu prin care sa se propage pentru a transmite sunetele la distanta. Altfel spus, in vid sunetele nu se propaga. Boyle a folosit un clopotel plasat intr-o incinta inchisa si etansa din care aerul putea fi scos treptat. A observat ca pe masura ce aerul paraseste incinta respectiv, sunetul scos de clopotel devine din ce in ce mai slab, pana la atenuarea totala.

Newton a avut si el contributia sa la intelegerea fenomenelor de propagare a sunetului prin diverse medii, demonstrand ca viteza sunetului prin anumite materiale depinde de caracteristicile acestora. Mai exact, elasticitatea si densitatea mediului de propagare determina viteza de propagarea sunetului prin acel mediu. Printre factorii de care depinde viteza de propagare a sunetului prin anumite medii se numara si densitatea si temperatura, dar si starea de agregare a mediului (faptul ca avem de-a face cu un gaz, un lichid sau un solid). Iata in continuare un tabel care prezinta viteza sunetului prin diferite medii si materiale:

Tabel 3

Viteza sunetului in apa variaza, in principal, in functie de temperatura si de salinitate. Aparatele moderne care folosesc efectul Doppler pentru masurarea sunetuli in apa au inclus un senzor de temperatura (± 0.1 ° C ± 0,2 ° F) pentru corectarea automata a vitezei sunetului in functie de valoarea salinitatii, aceasta fiind introdusa si utilizata pentru calcularea vitezei sunetului.

Figura 5 - Viteza sunetului in functie de temperatura si de salinitate

In figura 5 sunt prezentate viteze ale sunetului in functie de temperatura la doua niveluri diferite de salinitate (stanga) si la trei niveluri de temperatura (dreapta). Ca o regula generala: schimbarea de temperatura de 5°C rezulta o schimbare a vitezei sunetului cu 100%. O schimbare a salinitatii de 12 ppm duce la o schimbare a vitezei sunetului de 1%. Intreaga scara de temperatura tipica (-2 - 40 ° C; 28 - 105 ° F) si nivelurile de salinitate (0 - 35 ppt) ofera o viteza a sunetului cuprinse intre 1400 - 1560 m/s - in total o schimbare de 11%.

Triton ADV - Prezentare

1 Triton ADV - componente, terminologie si prelevarea probelor

Dispozitivul de masurare a curentilor acvatici Triton (Fig. 6) utilizeaza o carcasa submersibila pentru toata electronica sistemului (receptor, procesor, recorder, compas/senzor de inclinare) si bateria alcalina. Acest sistem poate, de asemenea, sa functioneze alimentat dintr-o sursa de alimentare extrerna.

Urmatorii termeni sunt folositi regulat, atunci cand ne referim la Triton: - Sonda - consta intr-un transmitator si trei receptoare (pentru masuratori 3D).
Componentele sondei si modalitatea de functionare sunt prezentate in figura 6.
- Transmitatorul - transmitatorul acustic central genereaza un scurt puls de sunet cu
cea mai mare parte a energiei concentrata intr-un fascicul ingust (6 mm in diametru).
- Receptor - receptoarele acustice sunt montate pe brate din baza centrala a dispozitivului.
Receptoarele sunt sensibile la un fascicul ingust, si sunt concentrate pe un volum
situat la o distanta de la un punct fix de capul sondei (nominal 10 cm).
- Esantionarea volumului - Prelevarea probelor de volum este punctul fizic in care Triton 3D face masuratorile.

Principiul de functionare al dispozitivului Triton ADV este urmatorul:

- Montarea: triton este montat pe un picior de metal de 15 cm sau pe un cablu flexibil de 0,7-m

- Receptorul: electronica receptorului amplifica si filtreaza semnalele de la sonda.

- Procesorul: procesorul este alcatuit din doua placi de circuite care efectueaza toate procesele de viteza Doppler, acestea fiind montate in interiorul carcasei submersibile.

Figura 6 - Triton - Configuratia submersibila

- Alimentarea si cablul de comunicatii: un singur cablu de conectare alimenteaza dispozitivul si ajuta la comunicarea intre procesor si computer, prin protocolul de comunicare utilizat de catre Triton.
- Senzorul de temperatura: datele de la sonda de temperatura compenseaza
schimbarile vitezei sunetului, care este folosita pentru a converti indici Doppler in viteza apei.
- Compas/senzor de inclinare: acest senzor magnetic masoara polaritatea si cele doua axe de inclinare (inclinatia maxima ± 50°). Acesta permite raportarea vitezei masurate in functie de coordnatele Pamantului (Est, Nord, UP sau ENU).

- Senzorul de presiune: acest senzor este montat in Triton, in interiorul carcasei submersibile. Senzorul ofera o masuratoare a distantei de imersie, presiune si inaltimea valurilor.
- Acumulatorii: dispozitivul Triton foloseste baterii pentru autonomie sau ca o
rezerva in cazul in care sursa exterioara cedeaza.

Figura. 7 - Triton - Prelevarea probelor de volum

2. Triton ADV - Principii de functionare

In figura 8 sunt prezentate functiile de baza ale dispozitivului Triton. Triton este un curentmetru bistatic bazat pe efect Doppler.

Figura 8 - Triton - Prelevarea probelor de volum

Bistatic inseamna mijloace separate acustice, unde traductoarele sunt utilizate ca emitator si receptor. Receptoarele sunt montate, astfel incat fasciculele se intersecteaza cu un volum de apa situat la o distanta de 10 cm fata de capatul sondei Fascicul de intersectie determina locatia de prelevare a probelor de volum de apa in care se fac masuratori.

Triton masoara viteza curentilor, generand, cu ajutorul transmitatorului, un puls scurt de sunet cu frecventa cunoscuta, sunetul strabatand apa dealungul axei fascicolului. Pulsul trece prin zona de prelevare a probelor de volum si se reflecta in toate directiile particulelor aflate in suspensie (sedimente, organisme mici, bule).

Unele portiuni din energia reflectata se intorc la receptor sub forma de fascicul de-a lungul axelor. Astfel semnalul reflectat este prelevat de receptoarele acustice. Procesorul masoara modificarile de frecventa pentru fiecare receptor, iar cunoasterea relativa a orientarii a axelor bistatice fata de toate receptoarele permite dispozitivului sa calculeze viteza tridimensionala in volumului de apa prelevat.

Figura 9 - Triton - Profilul semnalului

Figura 9 prezinta profilul timp-semnal pentru Triton. Pe axa orizontala ne arata timpul dupa transmiterea pulsul, iar pe axa verticala ne arata semnalul intors si masurat de un receptor. Pe masura ce pulsul strabate apa, sunetul se reflecta in toate directiile. Imediat dupa transmiterea pulsului, reflectiile vin si din afara receptorului, receptorul masoarand si nivelul zgomotului de fond.

Pulsul se propaga de-a lungul axei de transmitere, acesta mutandu-se mai aproape de receptor, iar receptorul sesizand o crestere a semnalului, acesta atingand un nivel maxim, la intersectia fascicolelor de transmitere si de primire.

Geometria fascicolului si masurarea tridimensionala

Figura 10 - Axa bistatica

O singura pereche de transmitator/receptor masoara intr-un punct proiectia 3D si viteza pe axa bistatica, acesta fiind la jumatatea distantei dintre transmitator si receptor (Figura 10).

Viteza masurata prin fiecare receptor se numeste viteza bistatica, Triton folosind un transmitator si doua sau trei receptoare (pentru sonda 2D sau 3D). Receptoarele se intersecteaza cu fascicolul trimis cu un model comun de volum pentru prelevarea probelor. Vitezele bistatice sunt convertite intr-un sistem de coordonate cartezian (XYZ), viteze fiind determinate cu ajutorul sondei de geometrie. In timpul procesului de fabricatie, sonda de geometrie este precis determinata printr-o procedura de calibrare. Calibrarea trebuie sa fie efectuata o singura data, recalibrarea periodica nefiind necesara. Triton poate sa includa si un compas/senzor de orientare pentru acuratetea masuratorilor.

Cunoscand orientarea dispozitivului, permite acestuia raportarea vitezei fata de Terra intr-un sistem de coordonate ENU (East-Nordh-Up), utilizand aceste coordonatele ENU sistemul permite sondei de a raporta date exacte referitore la curenti chiar daca orientarea este variabila sau este necunoscuta

4. Prelevarea probelor de volum

Triton preia esantioane de volum la 10 cm fata de capatul sondei (Fig.). Locatia exacta variaza cu ± 0,5 cm de la proba la proba, in schimb locatia exacta a probei de volum este stiuta pentru fiecare proba in parte, fiind determinata de centrul vertical al probei.

Dimensiunea fizica a volumului de esantionare este aproximata, ca un cilindru cu diametrul de 0.6 cm si lungimea de 0.9 cm (Figura 10).

O determinare a marimii probei de volum este complicata, deoarece dimensiunea este determinata de patru factori, cum ar fi: transmiterea modelului de fascicul, primirea modelului de fascicul, lungimea pulsului acustic, perioada de timp in care se asteapta revenirea semnalului, extinderea verticala a probei de volum este defnita de lungimea de unda a sunetului, acesti parametri fiind controlati de software-ul sondei. Inaltimea volumului esantionat este de 0.9 cm iar marginile verticale sunt definite la ± 0.05 cm.

5. Procesarea

Procesarea datelor are loc in felul urmator: emitatorul transmite un singur fascicul de sunet iar receptorul masoara schimbarea frecventei la intoarcerea semnalului, Triton folosind pulsuri legate pentru prelucrarea datelor (Figura 11).

Figura 11

Pulsurile legate sunt prelucrate, dupa cum urmeaza: Triton trimite doua impulsuri de sunet separate intr-un timp, . Fiecare receptor masoara faza ( ) de revenire a semnalul de la fiecare puls. Schimbarea de faza ( 1), impartita la timp ( ) este proportionala cu viteza. Aceste pulsuri legate sunt prelucrate si ofera cea mai buna rezolutie spatiala si temporala a oricarei tehnica de prelucrare Doppler. Exista mai multe aspecte ale pulsurilor legate de prelucrare, care afecteaza operatiunile sondei.

Un aspect este de limitarea vitezei maxime care poate fi masurata. Pulsurile legatede sunt prelucrare in de faza de intoarcere. Faza masuratorilor sunt limitate la o serie de [- ]. In cazul in care faza depaseste aceste limite, se va 'infasurat in jurul lui' (de exemplu, in cazul in faza de cresteri mai sus a , sonda masoara o faza de - ). Acest lucru este cunoscut ca un salt de ambiguitate, in cazul in care sonda va masura negativ, mai degraba decat viteza reala, viteza fiind mai mare. Perioada maxima de viteza este in functie de intervalul de timp ( ) intre cele doua impulsuri. Triton poate fi utilizat in doua moduri diferite in ceea ce priveste viteza maxima. In modul auto, unde sonda trimite impulsuri in mod automat si determina care este cea mai buna metoda de masurare. In acest mod, sonda ofera cea mai buna performanta posibila pentru orice viteza in gama de masurare de 0.01 la 600 cm/s.

Sonda ofera posibilitatea de a alege din mai multe intervale prestabilite, fiecare dintre acestea corespunzand unui anumit puls de intarziere. In cazul in care viteza maxima depaseste viteza de specificata, rezultatul vitezei si datele vor fi compromise.

Pentru cele mai multe aplicatii, modulul auto este cel preferat. Modulul auto ofera cea mai buna performanta cu nici un risc de ambiguitate si erori. In modulul auto consumul de energie creste cu aproximativ cu 1% - 2%. Singurul motiv pentru prelevarea probelor de viteza la perioade prestabilite este acela de a reduce consumul de energie electrica (de exemplu, atunci cand sonda functioneaza pe baterie). Chiar si atunci cand se utilizeaza modulul Auto, sonda consuma numai 0.5 W, iar prelevarea probelor la perioade de timp determinate este folosita rar.

Pulsurile legate afecteaza functionarea sondei in alte doua situatii. Cand a fac masuratori langa un obstacol, exista posibilitatea de reflectare a primul puls de la obstacol care ar putea interfera cu cel de-al doilea puls. Posibilitatea de a regla intervalul de timp intre impulsuri ofera sondei performante excelente pentru aplicatii cu numar scazut de fluxuri.

6. Inregistrarea datelor

Triton inregistreaza la fiecare proba urmatoarele tipuri de date: data si ora ceasului intern a sondei, trei valori ale vitezei, cate unul pentru fiecare componenta 3D, trei valori ale semnalului, cate unul pentru fiecare receptor, trei valori de eroare standard, cate unul pentru fiecare componenta a vitezei, date provenite de la senzorul de temperatura, busola/senzorul de inclinare si date legate de adancime provenite de la senzorul de presiune.

7. Viteza masurata si stabilirea gamei de viteze

Procesul tehnic Doppler folosit de Triton ofera diferite avantaje si performanta. Acesta poate masura viteza apei tridimensional de la 0.01 la 600 cm/s. Pentru cele mai multe aplicatii, datele legate de viteza pot fi folosite imediat, fara nici o corectie de postprocesare. Viteza este de obicei in sistemul de coordonate cartezian (XYZ) referitoare la orientarea sondei. Viteza poate fi redata in functie de coordonatele ENU indiferent de orientarea sondei, iar calibrarea sondei nu se schimba cu exceptia cazului in care sonda a fost fizic deteriorata. Singurele date care necesita postprocesare sunt cele atunci cand viteza sunetului a fost incorect specificata.

Sunt cateva aspecte legate de functionarea dispozitivului Triton care pot afectea calitatea vitezei si a datelor cum ar fi: setarea eronata a scarii de viteza, rata de esantionare, incertitudinile pe termen scurt, precizia.

Viteza maxima, care poate fi masurata cu ajutorul sondei Triton variaza in functie de gama stabilita. Pentru majoritatea aplicatiilor, este preferat modulul auto deoarece ofera o gama a vitezei stabilita pentru a atinge performante maxime. Pentru aplicatii cand se folosesc bateriile ca sursa de alimentare, o presetabilire a gamei de viteza va reduce consumul de energie si va extinde durata masuratorilor.

Setarile pentru gama de viteza sunt prezentate in tabelul 4. In modulul auto, este oferita cea mai buna performanta pentru ca are cea mai larga gama de viteze.

Tabel 4   

Setarile sunt valori nominale, Triton masurand vitezele de-a lungul axei bistatice la fiecare receptor. Avand in vedere ca axele bistatice sunt la 15 ° de axa verticala, sonda este mai sensibila la debitul vertical iar viteza maxima este mai mica pentru flux-ul vertical. Tabelul 4 prezinta vitezele maxime care pot fi masurate in fiecare proba pentru viteza verticala sau orizontala si debit.

8. Prelevarea probelor si gradul de incertitudine pe termen scurt

Masurarea individuala a vitezei 3D este mentionata ca un ping. Triton trimite 10 ping-uri pe secunda, cu ajutorul acestor ping-uri se produce o medie a vitezei tridimensionale. Pentru rezultate cat mai bune, sonda mareste numarul de ping-uri pe secunda.

Figura 12

Strategia de prelevare a probelor este prezentata in figura 12, si diverse configuratii pentru prelevarea probelor de volum dupa cum urmeaza:

prelevare countinua: este folosita pentru masurarea in timp real sau pentru masuratori contiune atunci cand dispozitivul este conectat la o sursa externa de energie;

interval redus de masurare: aceasta configuratie este folosita atunci cand dispozitivul Triton este alimentat de acumulatorii interni si/sau se face o monitorizare a parametrilor curentilor acvatici pentru intervale prestabilite de timp si cu un timp de mediere intre ele;

probe aleatorii: aceasta configuratie ne permite sa obtinem informatii despre variatia curentilor acvatici pentru scurte perioade de timp, acesta luand cateva probe succesive intrand apoi in modulul de hibernare.

Sonda Triton, la fel ca toate sistemele Doppler, are un senzor de masurare a zgomotului de fond. Nivelul zgomotului de fond este o urmare a procesului fizic prin care undele acustice sunt izolate de particule din apa, si este denumit zgomot Doppler. Zgomotul Doppler este aleator, si se poate presupune ca urmeaza distributia Gaussiana Nivelul zgomotului de fond scade odata cu radacina patrata a intervalului mediu.

Tabelul 5 ofera o estimare a nivelurilor de zgomot pentru diferite viteze si setari.

Tabel 5 - Nivelul zgomotului de fond

Valorile prezentate in tabelul sunt pentru vitezele orizontale, aceste valori reflecta numai zgomotul generat de aparat, si nu pentru variatiile de apei in miscare. De cele mai multe ori, variatiile de miscare ale apei vor fi mult mai mari decat zgomotele generate de aparat.

9. Precizia, semnalul si eroarea standard

Precizia se refera la prevederea masuratorii vitezei, dupa eliminarea zgomotului de fond. Exista doi principali factori care influenteaza precizia sondei: viteza sunetului si
geometria sondei, astfel erorile sunt, de obicei, neglijabile (mai putin de 0,25%) ; Erorile mai mari (care sunt mai putin frecvente) pot fi corectate in postprocesare.

Intensitatea semnalului acustic reflectat si apoi masurat de Triton, acesta este inregistrat intr-o unitate logaritmica numit "count"; un count = 0.72 dB, nivelul semnalului fiind de obicei comparat cu nivelul zgomotului de fond, care se masoara direct, utilizand software-ul Triton. Pentru buna functionare, nivelul semnalului, ar trebui sa fie de cel putin 20 count (15 dB) mai mare decat nivelul de zgomot, astfel viteza exacta poate fi obtinuta cu doar 10 count (7 dB) peste nivelul de zgomot. Desi vor exista mai multe incertitudini (zgomot Doppler) in masurarile individuale, semnalul scazut indica o lipsa a particulelor in apa. Pentru apa fara particule in suspensie, se introduce material pentru a creste nivelul particulelor, implicit crescand nivelul semnalului.

Semnalul variaza in functie de cantitatea si tipul particulelor din apa aflate in suspensie. Cu ajutorul nivelului de semnal putem masura concentratiea de sedimente, chiar daca semnalul sondei nu poate fi imediat procesat pentru acesta determinare, dar dupa o calibrare corespunzatoare, furnizeaza o imagine clara a fluctuatiilor sedimentare si poate fi folosit pentru determinarea concentratiilor acestora.

Eroarea standard a sondei este prevazuta ca o masura directa a calitatii de viteza. O eroare standard este raportata pentru fiecare componenta a vitezei si poate fi interpretata direct de o estimare a precizie vitezei medie si raportata pentru o proba.

Un avantaj semnificativ al dispozitivul bazat pe efect Doppler - Triton ADV este ca nu exista nici un debit minim pentru a detecta viteza. In conditii normale de functionare, sonda Triton va da randament bun chiar si la 0.1 cm/s.

10. Senzorii externi integrati

Triton este proiectat pentru a permite integrarea de alti senzori si pentru a stoca toate datele intr-un singur fisier. Trei tipuri principali de senzori sunt disponibili (senzorul de temperatura care este inclus standard, cu toate sistemele), senzorul de presiune, senzorul de conductivitate-temperatura si multiparametru - sonda de mediu.

11. Triton ADV - Software

Dispozitivul Triton include si un software pentru Windows. Acesta consta intr-un program principal care este utilizat pentru a lansa diferite module. Fiecare modul indeplinind o functie specifica.

Software-ul ViewTriton cuprinde urmatoarele functii: sistemul de diagnostic, implementarea autonomiei, extragerea datelor si procesorul de date. Software-ul SonUtils contine un terminal, un soft pentru calibrarea busolei si un extractor al bazei de date.

Cu ajutorul programului ViewTriton putem rula programul de diagnosticare pentru a verifica performantele sondei si de a identifica cele mai multe probleme aparute in timpul functionarii.

Figura 13

In figura 13 sunt prezentate datele de iesire ale programului de diagnosticare. Cresterea semnalului o putem observa printr-o curba in forma de clopot, varful ascutit semnifica limita maxima de masurare in aproprierea unui obstacol si nivelul zgomotului de fond.

Diagnosticarea problemelor fizice poate fi utilizata pentru a detecta aproape orice problema cum ar fi: in cazul in care cablul de legatura dintre senzori nu este conectat la procesor, programul arata semnal zero pentru toate cele trei receptoare, afisandu-se un grafic gol. Deasemenea aceasta problema poate aparea si in cazul in care cablul de frecventa inalta este deteriorat.

Figura 14

In figura 14 e prezentata cantitatea particulelor din apa aflate in suspensie.

In cazul in care sunt insuficiente particule in suspensie (de exemplu, apa este foarte clara), pentru prelevarea probelor sau aceste sunt inexistente, aceasta situatie poate fi confundata cu o functionare defectuasa a emitatoarelor, cu exceptia cazului in care sonda este la marginea unui obstacol.

Figura 15 - Functionarea incorecta a transmitatoarelor

Acest lucru poate fi confundat ca o deconectare a sondei sau a nivelului scazut de particule in suspensie. Absenta unei limite de reflectie ajuta la distingerea dintre nivelul scazut de particule in suspensie si functionarea incorecta a trasmitatoarelor.

Figura 16 - Functionarea incorecta a receptorilor

Semnalul de la fiecare receptor ar trebui sa aiba aproximativ aceeasi concentratie ca volum de prelevare a probelor prelevate.

Figura 17 - Diagnostic: bratul receptor deteriorat

In cazul in care intr-un volum de prelevare a probelor receptorul este in afara axei orizontale, inseamna ca bratele receptorului au fost indoite.

Figura 18 - Diagnostic: semnalul a depasit limita maxima

In cazul in care nivelul semnalului a depasit limita maxima, zgomotul aparut poate scadea capacitatea de masurare.

Pentru inregistrarea datelor se utilizeaza formatul ASCII simplu cu 11 valori pe fiecare linie, dupa cum se arata in tebelul 6.

Tabel 6

Diagnosticul este pentru aproximativ 150 de esantioane (de exemplu, 150 de linii) pentru fiecare inregistrare a semnalului de profil.

Cu ajutorul acestui program putem extrage datele masurate de Triton din memoria interna a dispozitivului. Conectarea intre PC si Triton se realizeaza cu ajutorul unui cablu de conectare, cu ajutorul portului COM.

Figura 19 - ViewTriton - Modulul de extragere a datelor

Utilizand programul SonUtils, se poate efectua recalibrarea busolei, se pot extrage datele inregistrate si se poate deschide un terminal pentru comunicarea directa cu Triton (Figura 18).

Toate functiile importante pot fi acesate de la acest terminal, folosind o interfata simpla bazata pe comenzi text. In zona de sus, in stanga, este folosita pentru a seta parametrii de baza pentru comunicare; zona de mijloc-stanga contine cateva dintre cele mai folosite comenzi care pot fi trimise rapid instrumentului cu un singul click. In zona albastra de sus sunt reprezentate instrumentele de iesire, iar zona alba de jos este folosita pentru a introduce comenzi.

Utilizant portul de comunicare COM se realizeaza contectarea intre PC si Triton. Prin acest modul se poate sincroniza ceasul si data interna a aparatului dar se pot trmite si comenzi de incepere a colectarii datelor in timp real.

Figura 20 - Terminal de comunicare

12. Sistemul de implementare a parametrilor

Conectand la PC dispozitivul Triton, putem introduce intervalul de masurare a diferitilor senzori care sunt conectati la Triton, cum ar fi: intervalul de masurare sau perioada de masurare.

Sistemele de coordonate utilizate de Triton sunt: BEAM, XYZ si ENU. ENU in mod normal, este recomandat pentru sistemele interne cu busola/senzor de inclinare. Sistemul cartezian XYZ este recomandat pentru sistemele interne fara busola/senzor de inclinare. BEAM-ul este numai pentru aplicatii specializate si nu este frecvent utilizat.

Pentru masurarea temperaturii, Triton utilizeaza un senzor de temperatura incorporat si il foloseste pentru calcularea vitezei sunetului. De cele mai multe ori, senzorul de temperatura este recomandat pentru cele mai multe aplicatii.

Viteza sunetului este calculata de Triton pe baza datelor referitoare la salinitate introduse manual de catre utilizator si de temperatura masurata de catre senzorul intern.

Pentru masurarea presiunii, inaltimii si frecventei valurilor se foloseste senzorul de presiune. Datele legate de presiune sunt succesive sau la intervale prestabilite de timp in functie de profilul selectat. Parametri pot fi setati intr-un intervat de 1 pana la 255 de profiluri. Daca este setat la 0, datale masurate nu vor fi inregistrate. Rata de prelevare a probelor pentru valuri poate avea un interval al frecventei de 1,2 sau 4 Hz, parametrul implicit fiind de 1 Hz.

Triton are un ceas intern care este sincronizat la fiecare conectare a acestuia cu PC-ul. Data si ora sunt introduse in fisierul de iesire pentru ficare masuratoare efectuata.

Modulul de procesare este utilizat pentru a afisa datele si de a le exporta in format ASCII (Figura 21).

Figura 21 - Modulul de procesare a datelor.

Aici putem vizualiza toate masuratorile efectuate de Triton intr-un model grafic. Bara de meniu ofera acces pentru comenzile de prelucrare a parametrilor, bara de instrumente contine butoane pentru cele mai importante functii de procesare. In partea de sus este reprezentata viteza apei la diferite intervale de timp. In partea dreapta a ecranului se afla tabelele de afisare a datelor masurate.